若夫妇中男方精子未达到最佳状态，且之前的标准试管授精手术受精率低，仅有少数卵子可用时，将会采取卵泡浆内单精子注射（ICSI）。在该手术中，单个活动精子从男方精子中分离，切除尾部后使其固定。将该精子吸入一支极细的玻璃针中（针尖的宽度约为人体头发直径的十分之一）。直接将精子注射入卵子中心后，撤出玻璃针。在注射过程中，仅有极小比例的卵子会被损坏，但这个比例将低于手术后可达到的受精率。
IVF和ICSI手术是否有风险？
在进行技术较新的手术之前，患者们自然而然会关心手术的风险。有些是IVF和ICSI手术均会面临的风险，如卵巢过度刺激综合征和多胎妊娠。然而，比较而言，在标准IVF手术的帮助下已有近两百万婴儿诞生，而经ICSI手术诞生的婴儿仅为数十万个。根据对ICSI婴儿的评估，以下数据即为当前我们对畸形胎儿可能性的了解。不幸的是，每100个自然分娩（即非不孕症治疗后分娩）的婴儿中，有三个会有天生的重大畸形。迄今为止最大规模的研究调查发现在3，000个ICSI婴儿中，ICSI婴儿天生畸形的总概率并没有比自然分娩的婴儿高。
过去数年，人们逐渐意识到，没有精子或精子数量极少的男性中约有10%至15%是由于控制生成精子的基因（DAZ基因）有特定的缺陷。这一基因缺陷很有可能会遗传给男孩，导致其在未来同样无法生育。
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卵巢过度刺激综合征
该综合征可能是IVF手术最严重的副作用，与患者所服用药物的刺激而非手术本身有关，且由于其他原因服用有此刺激作用的药物的女性也会出现此综合征。由于卵巢比正常情况下所受的刺激增多，通常会变大并产生充液结构（卵泡），卵泡中有卵子。所有进行IVF手术的女性患者都会出现此情况，因此不必过度担心。约100位女性患者中会有一位会出现最严重的卵巢过度刺激综合征。之后，卵巢会急速变大，产生大囊肿。囊肿产生的大量液体会排入腹腔。该液体富含矿物质和蛋白质。严重的卵巢过度刺激综合征症状包括腹痛、明显的腹胀、气促、恶心并呕吐、尿量减少。若出现严重症状，便需要住院治疗，排出液体中的矿物质和蛋白质，采取措施防止病情恶化。若病情严重，先预防再治疗较为妥当。尽管无法预测哪些病人会出现卵巢过度刺激综合征，但卵巢激素异常，患有多囊卵巢的患者一般更有可能出现此综合征。在开始IVF手术之前的事先协商时会进行检测评估。服用药物后，若患者产生大量卵子，特别是在收集卵子前出现小腹疼痛，出现卵巢过度刺激综合征的风险则更大。若出现上述情况，需在深夜注射绒促性素前取消手术，或者若已收集卵子，则需立即冷冻所有胚胎并停止转移。以上措施是为了避免过度刺激综合征症状恶化。
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多胎妊娠
根据新加坡卫生部的最新建议，所有医院在进行IVF手术时，除非是特殊情况（如患者超过40岁，使用自己的卵子进行手术），转移的胚胎数不得超过三个。许多不孕不育的夫妇都希望能够怀上双胞胎，但大多数人并不希望是三胞胎。但即使仅转移两个胚胎也有可能会怀上三胞胎，因为一个胚胎可能会分裂成完全相同的双胞胎。幸运的是这种情况并不常见。自然分娩的女性怀上双胞胎的概率约为八十分之一，而经IVF手术怀上双胞胎的概率是四分之一到三分之一。除了多胎妊娠（特别是三胎妊娠）相关的社会问题，分娩双胞胎或三胞胎也会引发非常严重的医疗问题，如母亲出现高血压、糖尿病、出血等相关综合征的风险更大。婴儿遭受早产的风险更大，可能会夭折或是出现天生脑损伤等严重缺陷。因此，最理想的IVF手术结果是分娩一个健康的婴儿。
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感染/出血
收集卵子时，细针经阴道进入卵巢转移卵子，此时有较小可能引发卵巢出血或盆骨感染。在收集卵子时，应多加注意避免上述情况并注射抗生素。实际上，收集卵子结束后阴道很可能会有少量滴血，但大量出血的情况很少见。感染的概率低于1%。